Новий «біогібридний» нейронний імплантат може відновити функцію паралізованих кінцівок

Дослідники розробили новий тип нейронного імплантату, який може відновити функцію кінцівок у людей з ампутованими кінцівками та інших осіб, які втратили можливість користуватися своїми руками чи ногами. У дослідженні, проведеному на щурах, дослідники з Кембридзького університету використовували пристрій для покращення зв’язку між мозком і паралізованими кінцівками. Пристрій поєднує в собі гнучку електроніку та людські стовбурові клітини – «перепрограмовані» головні клітини організму – для кращої інтеграції з нервами та руховою функцією кінцівок.

Попередні спроби використання нейронних імплантатів для відновлення функції кінцівок здебільшого провалилися, оскільки з часом навколо електродів утворюється рубцева тканина, що перешкоджає зв’язку між пристроєм і нервом. Помістивши шар м’язових клітин, перепрограмованих зі стовбурових клітин, між електродами та живою тканиною, дослідники виявили, що пристрій інтегровано з тілом господаря та запобігає утворенню рубцевої тканини. Клітини вижили на електроді протягом 28-денного експерименту, це вперше спостерігалося протягом такого тривалого періоду.

Дослідники кажуть, що, об’єднавши дві передові терапії для регенерації нервів – клітинну терапію та біоелектроніку – в одному пристрої, вони можуть подолати недоліки обох підходів, покращуючи функціональність і чутливість. Не зважаючи на те, що перш ніж його можна буде використовувати на людях, знадобляться масштабні дослідження та тестування, цей пристрій є багатообіцяючою розробкою для людей з ампутованими кінцівками або тих, хто втратив функцію кінцівки або кінцівок. Про результати було повідомлено 22 березня 2023 року в журналі Science Advances.

Величезною проблемою при спробі усунути травми, які призводять до втрати кінцівки або функції кінцівки, є нездатність нейронів регенерувати та відновлювати порушені нейронні ланцюги.

«Якщо комусь ампутують руку або ногу, наприклад, усі сигнали в нервовій системі все ще присутні, навіть якщо фізична кінцівка відсутня», — сказав доктор Даміано Бароне з відділу клінічної неврології Кембриджа, який керував дослідженням. «Проблема з інтеграцією протезів або відновленням функції рук або ніг полягає в тому, щоб отримати інформацію з нерва та перенести її до кінцівки, щоб функція була відновлена».

Одним зі способів розв’язання цієї проблеми є імплантація нерва у великі м’язи плеча та прикріплення до нього електродів. Проблема цього підходу полягає в тому, що навколо електрода утворюється рубцева тканина, крім того, з електрода можна отримати інформацію лише на рівні поверхні.

Щоб отримати кращу роздільну здатність, будь-який імплантат для відновлення функції повинен буде отримати набагато більше інформації з електродів. А щоб підвищити чутливість, дослідники хотіли створити щось, що могло б працювати в масштабі одного нервового волокна, або аксона.

«Сам по собі аксон має крихітну напругу», — сказав Бароун. «Але як тільки він з’єднується з м’язовою клітиною, яка має набагато вищу напругу, сигнал від м’язової клітини легше витягнути. Саме там можна збільшити чутливість імплантату».

Дослідники розробили біосумісний гнучкий електронний пристрій, досить тонкий, щоб прикріпити його до кінця нерва. Потім на електрод помістили шар стовбурових клітин, перепрограмованих на м’язові клітини. Це перший випадок, коли цей тип стовбурових клітин, які називаються індукованими плюрипотентними стовбуровими клітинами, був використаний у живому організмі таким чином.

«Ці клітини дають нам величезний ступінь контролю», — сказав Бароун. «Ми можемо говорити їм, як поводитися, і контролювати їх протягом усього експерименту. Розміщуючи клітини між електронікою та живим тілом, тіло не бачить електродів, воно бачить лише клітини, тому рубцева тканина не утворюється».

Кембриджський біогібридний пристрій імплантували в паралізоване передпліччя щурів. Стовбурові клітини, які були трансформовані в м’язові клітини до імплантації, інтегрувалися з нервами передпліччя щура. У той час як передпліччя щурів не відновили руху, пристрій зміг вловити сигнали з мозку, які контролюють рух. При підключенні до решти нерва або протезу кінцівки пристрій може допомогти відновити рух.

Клітинний шар також покращив роботу пристрою, підвищивши роздільну здатність і дозволивши довгостроковий моніторинг всередині живого організму. Клітини вижили під час 28-денного експерименту: вперше було показано, що клітини вижили в розширеному експерименті такого роду.

Дослідники кажуть, що їхній підхід має багато переваг перед іншими спробами відновити функції людей з ампутованими кінцівками. Окрім простої інтеграції та тривалої стабільності, пристрій достатньо малий, тому для його імплантації знадобиться лише операція через замкову щілину. Інші технології нейронного інтерфейсу для відновлення функції в осіб з ампутованими кінцівками вимагають складної індивідуальної інтерпретації активності кори головного мозку, пов’язаної з рухами м’язів, тоді як пристрій, розроблений Кембриджем, є високомасштабованим рішенням, оскільки він використовує «готові» клітини.

На додаток до потенціалу для відновлення функцій у людей, які втратили можливість користуватися кінцівкою або кінцівками, дослідники кажуть, що їхній пристрій також можна використовувати для керування протезами кінцівок шляхом взаємодії зі специфічними аксонами, відповідальними за руховий контроль.

«Цей інтерфейс може революціонізувати спосіб нашої взаємодії з технологіями», — сказала співавтор Емі Рочфорд з Департаменту інженерії. «Поєднавши живі клітини людини з біоелектронними матеріалами, ми створили систему, яка може спілкуватися з мозком більш природним та інтуїтивно зрозумілим способом, відкриваючи нові можливості для протезування, інтерфейсу мозок-машина та навіть покращуючи когнітивні здібності».

«Ця технологія представляє захоплюючий новий підхід до нейронних імплантатів, який, як ми сподіваємося, відкриє нові методи лікування для пацієнтів, які цього потребують», — сказав один із авторів, д-р Алехандро Карнісер-Ломбарте, також з Департаменту інженерії.

«Це було дуже ризиковане завдання, і я дуже радий, що воно спрацювало», — сказав професор Джордж Малліарас з інженерного факультету Кембриджу, який керував дослідженням. «Це одна з тих речей, для яких ви не знаєте, чи пройде два роки, чи десять, перш ніж вона запрацює, і в кінцевому підсумку це сталося дуже ефективно».

Зараз дослідники працюють над подальшою оптимізацією пристроїв і покращенням їх масштабованості. Команда подала заявку на патент на технологію за підтримки Cambridge Enterprise, відділу трансферу технологій університету.